基于WSN 智能家庭温湿度监测系统设计论文[优秀范文5篇]

第一篇：基于WSN 智能家庭温湿度监测系统设计论文

随着物联网技术的发展，比尔盖茨的智能家庭开始有机会走进寻常百姓家。该文主要介绍一种基于WSN技术实现家庭温湿度环境监控的方案，本系统易于扩展，可以作为智能科技家庭的框架，通过扩展模块，可以作为一个完整的智能家庭解决方案。笔者对软硬件方面进行了研究分析，着重分析系统架构模型，并对子模块的功能和工作原理做了简单描述。该系统云平台采用最新的Node.js技术做支撑，系统基于RESTful风格构建。引言

随着社会的发展，人们对于生活居住条件的要求越来越高，人们希望可以像比尔盖茨一样随时随地掌控居住环境。近些年，由于信息技术和传感器技术等的不断发展，智能家庭正在悄悄走进千家万户。智能家庭是在联网设备的基础上，通过传感器采集数据，网络后台获取并存储数据，通过特定的算法对数据进行分析，将得到的结果返回给执行机构或通知用户，从而为用户提供一个智能的居家生活环境。目前智能家庭系统方案众多，各有优缺点。

笔者在智能家庭方面进行了研究，提出了一套易于扩展、高性能的智能家庭系统。本系统是一个轻量级的但功能完整的智能家庭系统。传统的智能家庭对设备的控制大多基于局域网络，只适应于家庭内部进行监测控制，本系统以家庭为单位，将所有家庭的数据采集到云端存储，便于以后的分析挖掘，使本系统可以更加智能，同时系统采用分层的模块化架构，便于维护和扩展。本系统在设计的时候充分考虑安全和成本，力求在安全的前提下降低系统成本。系统架构

2.1 整体架构设计

如图1所示，每个家庭都通过 TCP/IP 协议接入智能家庭云平台，在家庭和Internet 之间通过网关管理控制，家庭内部则采用 Zigbee 构建的局域网进行通信，达到监测和控制的目的。用户可以通过客户端连接到云平台查看家庭环境数据和控制家庭中的联网设备。云平台可以通过特殊的算法对采集到的数据进行分析处理，层而达到越用越聪明的目的。

Zigbee 是一种低功耗、短距离、低速短延时、简单大容量、安全可靠的无线网络传输技术[1]。zigbee 具有强大的自组织网络性能，主要工作在ISM 频段。其中，2.4GHz 频段较为常见，并且免费使用。在每一个家庭中通过 Zigbee 构建局域网络，达到安全可靠、成本低、低功耗的家庭网络的需求。

家庭网关采用Arduino 模块。Arduino 是一块基于开放原始代码的 Simple I/O平台[2]，因为 Arduino 是为业余电子爱好者开发的，所以开发语言和开发环境具有简单易懂的特点，同时Arduino 开发语言是建立在 C语言的基础上，功能强大，可以尽情发挥想象[3]。Arduino 以其简单、便宜、功能强大赢得了成千上万电子工程师的喜爱。

客户端采用 WEB 形式，降低开发成本并且具有很高的兼容性。当模块增多，功能复杂的时候可以考虑开发APP，本身 APP 也可以通过 webview 等组建直接嵌入 WEB页面，同时 WEB 也可以直接和微信打通，方便用户使用。

2.2 云平台架构设计

本系统采用 REST 架构。REST(Representational State Transfer)表征状态转移是从资源的角度看待整个网络[4]，分布在网络中的各种资源都是通过 URL(统一资源定位器)来唯一确定，应用程序可以通过 URL 来取得网络资源的表征，从而改变其状态。REST 架构希望通过统一的 Hypermedia Controls，实现标准的可扩展性高的标准语义及表现形式，从而达到无需人工干预、机器之间通用的交互协议边的目的[5]。

物联网(Internet of things)能够让被独立寻址的物体互相连通，其中涉及的联网设备非常庞大，物联网包含的物体个数保守估计在千万亿级别，面对如此强大的资源世界，采用 REST 架构构建物联网系统，在目前来看是最好的解决方案。硬件实现

3.1 主控制器设计

主控制器采用Arduino+Zigbee模块，如图，Arduino 拥有14个数字IO 接口和6个模拟 IO 接口，外部供电5V～9V 直流电源，输出5V 和3.3V 直流电压，采用 Atmega328微处理器控制器芯片。Zigbee 模块使用 TI 公司的 CC2530芯片，此芯片具有增强型 8051CPU，系统内部可以编程闪存，且其具有4种不同的闪存运行模式模式，可直接在片上系统进行编程且代码移植性好，技术成熟，成本低等优势让其成为目前 ZIGBEE 开发的主流芯片。

3.2 温湿度监测模块

通过DHT11温湿度传感器实时采集数据并通过 Zigbee 网络传输给网关。DHT11具有快速响应、全程测量、数字输出等优点。

3.3 继电器控制模块

主要由继电器和简单的电路构成，用于接收动作命令控制大功率家电设备。

3.4 电路检错模块

电路检错模块独立封装，用于检测设备是否正常，检错电路工作原理：协调器获得开灯指令后，如果电路输出为高电压状态，即设备损坏或电路接触不良等，则客户端和主控制器检错指示灯亮，提醒用户检查电路情况。软件实现

4.1 硬件系统工作流程

设备开始运行先进行初始化，然后尝试连接到云平台，如果没有连接成功则写入日志并再次尝试，三次之后若还没有成功则对用户做出反馈。硬件设备成功连接到网络之后开始等待指令，得到指令之后立即执行指令，成功则继续等待执行下一条指令，如果执行不成功则记录到日志并对用户做出反馈。用户可以随时查看设备日志，方便发现问题并解决问题。

4.2 云平台设计实现用

服务器采用 Node.js 技术实现。Node.js 是一个可以让服务器运行 javascript 脚本的平台，使 javascript 可以像 PHP、Perl、Ruby、Python 等语言一样不需要依赖于浏览器运行。Node.js 是为实时 WEB 而生，在构建之初就考虑在实时响应、超大规模数据要求下架构的可扩展性。

Node.js的特点是单线程、异步 IO、事件驱动，这种程序设计模型的优点是性能优异、开发效率高[10]。目前 Node.js 凭借其优秀的特性吸引了一大批开发者和公司，形成了一个庞大的生态系统。成千上万的第三方模块让 Node.js 开发更加高效，因此我们选择采用 Node.js 技术构建智能家庭系统的服务器平台。

4.3 客户端设计实现

通过服务器提供的 API，可以很方便实现各个平台的客户端。为了减少开发周期和尽可能多的适配客户端，我们选择先实现自适应的 WEB 客户端。采用WEB 技术实现客户端，可以一次开发多种

客户端适配，不同尺寸、不同平台的设备都可以得到一个完美的呈现。

5结束语

本文是在参考了其他智能家庭实现方案的基础上，进一步简化流程和优化操作之后设计的一种智能家庭解决方案。相比以往Zigbee网络的智能家庭系统，主要增加了HTTP协议支持，让用户随时随地掌控家庭;采用RESTful风格设计，方便设备连接和二次开发，加入云平台的概念，给智能家庭带来无限可能。目前系统存在的不足是服务器端无法直接发起会话，后期会通过mqtt协议解决这个问题。

第二篇：粮仓粮库环境温湿度监测系统设计方案

粮仓粮库环境

温湿度综合监控管理系统

设

计

方

案

目 录

第一部分：概述

（1）粮食仓储概述………………………………………………………………03（2）粮仓粮库环境温湿度监控系统应用背景…………………………………04（3）粮仓粮库环境综合监控管理系统…………………………………………04 第二部分：系统组成结构

◇上位管理主机…………………………………………………………………05 ◇数据通讯部分…………………………………………………………………05 ◇现场控制监测点………………………………………………………………05 第三部分：控制模式

◇控制方式………………………………………………………………………06 第四部分：功能特点

（1）粮库环境温湿度监测………………………………………………………07（2）O2、CO2浓度监测•…………………………………………………………07（3）数据存储功能………………………………………………………………07（4）设备联动控制功能…………………………………………………………08（5）防火自动报警功能…………………………………………………………09（6）现场报警功能………………………………………………………………09（7）远程传输和网络管理功能…………………………………………………09 第五部分：监测软件数据平台

（1）友好的用户登陆管理界面…………………………………………………10（2）实时历史、曲线报表数据分析…………………………………………10（3）多种形式的报警功能………………………………………………………11（4）远程控制……………………………………………………………………11（5）监控终端……………………………………………………………………11

第一部分：概 述

（1）粮食仓储概述

我国现有14亿人口，粮食储藏好坏是关系到人民健康、市场供给、国家稳定的大事。随着人口增长迅速、耕地逐年减少、人类对社会物质生活的需求愈来愈高。粮食的利用与保护得到社会的更加重视，人类必须杜绝粮食浪费与霉烂现象发生，珍惜粮食。

我国是世界上最大粮食生产和消费国。据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输等过程中的损失高达15％，远远超过联合国粮农组织规定的5％，在这些损失中因未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食又占到5％。

粮食在储藏期间，如果水分超标，粮堆内部的水分就表现出向表面及粮粒间隙中的空气缓慢游离的趋势，因粮食水分从不流动的空气中逸出比较困难，它在粮粒间聚集，当湿度达到饱和点时即开始凝结，随之产生发酵和局部温度升高现象，这又促使粮粒释放出水分和加速相应的发酵过程。当环境温度升高，粮食中带有的粉尘、杂质、特别是有机物杂质加速了上述过程，严重威胁到安全储粮，导致粮食腐烂。

因此粮仓粮库环境应保持通风、干燥，内外整洁有序。粮库中应采取防鼠、防蝇、防虫、防盗等设施，杜绝有害虫类的滋生。

（2）粮仓粮库温湿度环境监控系统应用背景

建国以来，经过六十多年的发展，我国粮食仓储技术得到了长足发展，在某些领域已经达到世界先进水平，但就整体而言，我国粮食仓储技术与发达国家相比，仍与一定的差距。目前，大部分粮仓库仍为人工监控管理，如降仓温通风是仓房日常管理中，尤其是低温储粮管理中的一项操作较为频繁、辛苦的工作，经常需要在半夜开机：由于粮食呼吸，储粮稳定性较差，保管员需不断翻动粮面，通风降温散湿，因此国家需要投入大量人力。粮情，粮仓温度靠人工监测，保管员需要频繁巡查，工作强度大，并且监测结果不精确。

（3）粮仓粮库温湿度环境监控系统

SQ-KZ粮仓粮库环境综合监控系统可以实时全面的掌握粮库内的温湿度变化，一旦发现异常及时做出正确处理，保证粮食长期安全存储。本系统采用世界上先进的微电脑技术、PLC技术、传感器技术、自动控制技术，带有LCD显示和键盘操作，能够自动监测粮仓粮库内的粮情、温度、湿度，并能与粮仓粮库内的加热、制冷、除湿、通风等设备进行联动，控制加热、制冷、除湿、通风等设备进行工作，也可根据人工设定的数值定时控制设备或根据需要进行人工开启，使仓内粮温、水分、仓内气体的有效浓度与配比维持稳定状态，保证粮食仓储的安全。

第二部分：系统组成部分

SQ-KZ粮仓粮库环境综合监控系统主要包括：上位管理主机、数据通讯部分、现场控制监测点、数据采集终端等。

◇上位管理主机

可选用物联网感知应用平台或者是为客户专门定制的操作监测平台。能够实现监测、查询、运算、统计、控制、存储、分析、报警等多项功能，并能与粮仓内设备联动，自动计算和控制加热、制冷、降湿、通风等设备运行工作。

◇数据通讯部分

可根据需要选择有线传输与无线传输方式，对于仓内布线不方便的粮库，可以采用无线通讯方式，利用GPRS/3G或Zigbee无线通讯。

◇现场控制监测点

现场控制监测点主要由数字温湿度变送器、数据采集仪、通讯转换器、配电控制柜及安装附件组成。所有监测点的温湿度测量值最终转换为数字信号，被传送到上位管理主机，通过配套的数据管理软件对数据进行分析、处理、存储、打印等。

第三部分：控制方式

◇自动控制-----根据设定的参数，智能控制箱按照预先编制的程序自动运行。

◇手动控制-----根据需要，可以选择现场手动控制方式，启动各种模式。

◇集中监控-----监控中心室能够实时显示并自动记录粮仓粮库内的监测数据以及外围设备的工作状态，远程设定每台控制箱的工作参数，自动报警。

◇3G互联网监控------通过安装配套的物联网监控软件，或者视频监控软件，可以通过英特网实时了粮库内的环境变化信息及设备的运行状态等。

第四部分：系统功能特点

（1）粮库环境温湿度监测

通过温湿度传感器监测粮仓粮库内的环境温湿度，并能对数据进行采集、分析运算、控制、存储、发送等。

（2）O2、CO2浓度监测

--粮食是生命的有机体，具有呼吸功能。为了解储藏条件是否适宜，常需要了解粮食在储藏期间的生理状态，需要测定储粮的呼吸系数。

--在粮仓内部署二氧化碳或氧气浓度传感器，实时监测粮库中的气体含量，当浓度超过系统设定的阙值范围时，通过有线或无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端，由相关工作人员做出相应调整。

（3）数据存储功能

具有大容量数据存储功能，现场可显示、查询监测数据和设备工作参数。

（4）设备联动控制功能

--降温、散湿、通风是仓房日常管理中的一项操作较为频繁、辛苦的工作，经常需要在半夜开机，由于粮食呼吸，储粮稳定性较差，保管员需不断翻动粮面，通风降温散湿。实现仓窗、制冷、制热、通风等设备自动开关，对提高工作效率、降低劳动强度意义重大。--上位机控制平台可根据粮库环境的要求，对已设置的温湿度数学模型进行分析，自动计算和控制加热、制冷、降湿、通风等设备状态，也可根据人工设定的数值定时控制设备或根据需要进行人工开启。

（5）防火自动报警功能

可提供现场声光报警，监测系统报警，并通过电话语音拨号报警或发送报警短信通知相关人员。

（6）现场报警功能

用户可设定某些参数指标的上限和下限，根据温湿度实测值与人工设定的超限值进行对比分析，若实测值超过设定的范围，则通过屏幕显示报警或现场声光报警。

（7）远程传输和网络管理功能

可联网远程传输现场监测到的各种信息，上级部门可随时调用、检查粮库环境的各项数据、报表，提供集中式系统管理及数据检索功能，可与其它信息系统共享数据，支持TCP/IP协议。

第五部分：监测软件数据平台

我公司自主研发的粮仓粮库温湿度系统软件，实时采集粮仓粮库现场数据，经传感器数据模块传送至ZigBee节点或RS485节点上，然后通过光纤、GPRS/3G网络传输到数据平台，按照相关设定进行分析运算、控制、存储等功能，并进一步与粮仓内设备（如通风、制冷、制热、熏杀等）联动完成相应控制。

（1）友好的用户登陆管理界面

--规定用户使用权限，不同用户提供不同的操作权限，非用户不能登陆系统，保证系统安全，操作简单而富有人性化。

（2）实时历史、曲线报表数据分析

--系统将采集到的数据信息以实时曲线的方式显示给用户，并根据需要按照日、月、季、年参数变化曲线生成历史报表。便于对粮仓粮库的运转情况进行分析并做出改进，提高粮食仓储的效率与安全。

（3）多种形式的报警功能，适合不同场合需要

--工作人员根据粮仓粮库内的具体情况，设置温度、湿度等参数限值。在监测时，如发现有监测结果超出设定的阈值时，系统会自动发出报警提醒工作人员，报警形式包括：声光报警、电话报警、短信报警、E-MAIL报警等。

（4）远程控制

--现场采集设备将采集到的数据通过有线、无线、GPRS/3G网络传输到中控数据平台，用户从终端可以查看粮仓粮库现场的实时数据。并使用远程控制功能，通过继电器或采集输出模块对粮仓粮库内的相关设备进行自动化控制，如自动通风系统、自动制冷制热系统、自动除湿系统等。

（5）监控终端

--监控终端通过可视化、多媒体的人机界面实现以下主要功能：

①粮仓内粮情、温湿度、CO2浓度全面显示，可查询，包括各种参数以及历史数据等；

②向粮仓内监控终端发出调度命令、调整设备运转状况，确保粮仓内环境维持稳定状态，保证粮食仓储安全。

第三篇：基于WSN的智能交通灯控制系统设计概要

收稿日期:2009-06-16 作者简介:田丰(1958—,男,辽宁沈阳人,工学博士,教授,硕士生导师,主要研究方向为计算机测控技术、无线传感器网络等;杜富瑞(1981—,男,山东滨州人,硕士研究生,主要研究方向为无线传感器网络和嵌入式系统。

基于W S N 的智能交通灯控制系统设计 田 丰,杜富瑞

(沈阳航空工业学院计算机检测与控制研究室,辽宁沈阳 110136 摘要:针对多路口的交通信号灯控制问题,提出了基于无线传感器网络的两级组织结构,搭建了交通信

号灯控制平台。利用传感器节点收集的交通信息,结合模糊控制方法,实现了交通信号灯的无线智能控制。仿真结果表明,该控制器是有效的,其控制效果优于传统的控制方法。关键词:无线传感器网络;交通信号灯控制;模糊方法;鲁棒性

中图分类号:TP273+.5;TP18

文献标识码:A

文章编号:1000-8829(200912-0056-04 D esi gn of I n telli gen t Traff i c L i ght Con trol System Ba sed on W SN TI A N Feng,DU Fu 2rui(Computer Detecti on and Contr ol Laborat ory,Shenyang I nstitute of Aer onautical Engineering,Shenyang 110136,China Abstract:For multi 2juncti on traffic signal contr ol syste m ,t w o 2tier organizati onal structure based on wireless sens or net w orks(W S N is p r oposed,and a p latfor m f or traffic signal contr ol syste m with W S N is built.By using the collected inf or mati on about traffic and fuzzy contr ol method,the goal of intelligent contr ol for the traffic

lights is realized.The si m ulati on shows that the contr oller is realizable and better than the traditi onal contr ol methods.Key words:wireless sens or net w orks;traffic signal light contr ol;fuzzy method;r obustness

交通灯控制系统是一个典型的复杂大系统,具有时变、非线性、不易确定数学模型的特点。现有交通灯控制系统主要分为两类:定时控制和感应式控制。定时控制不能适应车流的动态变化,只适用于路面车流量较少的情况;感应式控制易受外界干扰,且在安装过程中,容易造成对道路的损坏。此外,这两种控制方式都只能单独地控制某一点,并不能实时、多点、联测、联动的控制。

无线传感器网络(W S N,wireless sens or net w orks 作为一种新兴的测控网络技术,融合了短程无线通信技术、微电子技术、嵌入式技术等。基于W S N 的交通灯控制系统具有控制精度高、响应速度快的优点。

模糊控制不需要建立精确的数学模型,它把人的感官认识和好的控制策略联系起来,具有很强的鲁棒性。

将模糊控制与无线传感器网络相结合,以W S N 传 感器节点收集的路面信息为输入,经模糊控制器处理, 得到作为输出的控制策略,对交通灯系统实施控制,可以实现交通灯控制系统的智能化、网络化。以下首先针对多路口交通灯控制系统,提出了两级W S N 组织结构,搭建了基于W S N 的交通信息收集和控制平台;然后介绍了多路口交通灯智能控制算法的设计,以及模糊控制器的设计;最后,进行了仿真实验。W S N 交通灯控制平台

在多路口交通信号灯控制系统中,信号灯的周期、绿信比和相位差是控制向量;到达交叉路口的车辆数和各交叉路口停车线前面排队的车辆数是状态向量。详细分

析表明,同时考虑信号灯的周期、绿信比和相位差的优化,将增大计算量,使问题的求解过程变得十分

复杂[1]。针对多路口交通灯控制系统,采用两级W S N 组织结构(见图1,第1级为控制级,负责调整各交叉路口的绿信比;第2级为协调级,负责协调干线各路口周期的确定和各路口之间的相位差。

图2为无线传感器网络交通灯控制系统模型图。路口的交通灯控制节点A1及其相邻路段内的路面检测节点B i(i =1,2,3,4,5和车载节点C j(j =1,2,3,4

图1 两级交通灯控制模型组成控制级。这些传感器器节点自组织成簇:交通灯控制节点作为簇首,路面检测节点和车载节点作为簇成员。簇首A1负责收集簇内路面检测节点的数据,进行数据融合,并与相邻簇首节点进行通信;簇成员节点负责路

面信息的收集。从簇首节点中,选取一个节点作为协调级,称此节点为汇聚节点。汇聚节点以多跳的方式与各簇首节点通信,收集各路口车流量信息 , 图2 无线传感器网络交通灯控制系统模型 进行智能处理,协调各路口工作。

针对交通控制系统中信息采集、策略制定、输出执 行的实际需求,引入3类W S N节点:信息收集节点、汇 聚节点和交通灯控制节点。传感器节点是构成W S N 的基本要素,具有采集环境信息、信息处理和无线通信 功能,它们既是数据包传输的发起者,也是数据包的转

发者[1]。信息收集节点负责路面车辆信息的收集,如 车速、交通流量比等,将此数据信息传递给交通灯控制 节点,经数据融合后传递给汇聚节点;汇聚节点根据设 定的目标(如通行量最大、平均候车时间最短等运用 智能控制方法计算出最佳方案,并输出给各路口交通 灯控制节点,控制车辆的通行与禁止,实现多路口的协 调控制。

信息收集节点由路面检测节点和车载节点两部分 构成。路面检测节点用于收集其检测范围内的车辆信 息,它按照一定的距离(一般为50~200m安装在道 路两侧的路灯上;车载节点被安装在每一辆汽车上,用 于收集车辆本身的数据信息(速度和坐标,并将该信 息发送给路面检测节点。路面检测节点按照一定周期 不断地广播消息,消息里面包含本身的I D和自己的坐 标信息。处于监听状态的车载节点接收检测节点发送 的消息。根据无线定位知识[2],车载节点只需收到3 个以上节点发送的消息,就可以计算出自己的坐标与 车速,并将坐标与速度消息传递给附近的路面检测节 点。路面检测节点在收到该消息后,计算出路面行驶 的车辆数、车辆所在车道和车辆与路口的距离,以多跳 通信的方式传递给路口的交通灯控制节点。由车速和 距离,交通灯控制节点就可以判断出车辆状态:①它 已经到达路口;②在路口信号灯换相之前到达路口;③ 不能按时到达路口。这样,可以方便地统计出干线路 口间行驶的车辆数QN以及各路口红灯方向排队车辆 数QR。多路口交通灯控制算法设计

文献[3,4]中指出,在交通控制系统中,各路口协 调周期,不能变换太频繁,否则,方案变换引起的交通 延误所带来的损失会大于新方案所带来的效益。设定 循环变量n=6,以6个周期为一个时间段,在此时间 段内,保持控制参数不变。2.1 算法设计

步骤1:汇聚节点根据以往的交通流量数据统计 出干线上各交叉口间的相位差ω i(i=1,2,3,…,n、统一使用的周期T、各个交叉口的绿信比,将此信息发

送给各路口簇首节点,并初始化循环变量n=0。步骤2:各交叉口簇首节点在给定的周期T下,依 据相位差ω i 依次开启干线各路口绿灯信号。在周期

时间末,簇首节点将周期内由W S N检测得到的路口间 行驶的车辆数QN和路口红灯方向排队车辆数QR送 给汇聚节点。汇聚节点用模糊控制规则以周期时间长 度为单位,调整路口之间相位差。

步骤3:令m=m+T,检验m>6T是否成立。若 成立,则到下一步;反之,则回到步骤2。步骤4:汇聚节点根据各路口簇首节点传递过来 的各路口间的交通流量和各交叉口的绿信比,预估下 一阶段的干线道路上各个交通流量比,计算下一阶段 的周期值。回到步骤2。2.2 各控制参数的具体实现 2.2.1 周期的确定

在交通信号控制系统中,为使各交叉口的交通信 号取得协调,各个交叉口的周期需要统一。方法是先

根据单个交叉口的配时方式,计算出各交叉口的周期, 然后从中选取最大周期,作为系统协调周期。周期确 定步骤如下: ①在给定时间段内,根据公式计算出路口j的第 m周期的交通流量比R j m;其计算公式为 R j m=∑n j=1 q j m i s j m i(1 式中,q j m i 为第j路口第m周期的第i相位车道的交通 量;s j m i 为饱和流量;n为相位个数。

②求出所有路口的交通流量比的最大值R j m MAX

R j m MAX =MAX{R j m ,j=1,2,3,…}(2

根据韦伯斯特最佳周期公式 C0= 1.5L+5 1-R j m MAX(3 计算出第m周期的最佳周期。式中,L为相位损失时间(车辆起制动、行人、自行车干扰,可由协调级模糊控制器的输出得到。

③在本段时间结束时刻,计算所有周期时间内周期的最大值为 C MAX=MAX{C m,m=1,2,3}(4 将此周期值作为下一个阶段信号控制的统一值送入协调单元保存起来,作为下一阶段内的周期。

2.2.2 相位差的确定

相位差是控制交叉路口间交通流的重要参数,设定一个好的相位差可以显著地降低车流的等待时间,实现车辆通行的“绿波带”效应。相位差计算公式为

ω=T

+L(5 式中,T 为本路口到下游路口的行驶时间,由无线传感器网络实时检测得到;而损失时间L由协调级模糊控制器输出得到。模糊控制器的设计

相位损失时间L与路口间车辆数目QN和路口的红灯方向停车线前面车辆排队长度QR有很大关系。路口间车辆数目多,红灯方向排队长度QR长,则车辆启制动所耗费时间就越多,相应的相位损失时间L越大;反之,则越少。

设计步骤如下:(1输入输出变量的确定及量化。

输入变量:本路口到下一路口的车辆数QN,路口红灯方向在停车线前排队车辆数QR。QN的论域为{0,1,2,3,4,5,6,7,8},变化范围为0~85,量化因子k1=8÷85=0.09,语言变量为{Z B,Z M,ZS,Z,PS};QR 的论域为{0,1,2,3,4,5,6,7,8},变化范围为0~48, 量化因子k 2 =8÷48=0.17,语言变量为{NB,Z}。

输出变量:路口相位损失时间为L。L的论域为{0,1,2,3,4,5,6,7,8},变化范围为0~60,比例因子k3=60÷8=7.5,语言变量为{NB,NS,Z,PS,P B}。

(2确定输入输出变量的隶属函数(见图3。

(3确定模糊控制规则。

根据专家经验,建立模糊控制规则表。表1中建立了10条控制规则。表1 模糊控制规则表 QR QN NB NM NS Z PS NB NB NS Z PS PS Z NB NS Z PS P B

(4解模糊。

解模糊的常用方法有以下几种:最大隶属度法、中位数法、加权平均法。由于加权平均法比中位数法的计算量要小,比最大隶属度法控制性能优越,因此,在本设计中选用加权平均法进行解模糊运算,得到精确控制量。其计算公式为

L = ∑n j =1 u j(e j e j ∑n j =1 u j(6 式中,e j(j =1,2,...,9为论域值;u j(e j(j =1,2,(9 为对应于e j 的隶属度。

根据公式(5,计算出路口间的相位差ω,对路口间的交通车流进行协调控制。4 仿真实验

设一条道路有3个路口组成,三路口间距离均为600m。其中，南北为次干道。每个路口的有4个交通流相位:东西直行,东西左转,南北直行,南北左转,如图4所示。路口车辆的到达服从泊松分布,车辆的离开服从负指数分布。干线饱和流量为3000辆/h,支线饱和交通流量为2000辆/h,左转、直行、右转车流比例为1∶2∶1。

图4 主干道三交叉路口示意图利用MAT LAB 6.5编写仿真程序,将基于W S N 的两级模糊控制算法,分别在400、600、1200、1400、2000、2300辆/h 6种不同的车流量情况下进行仿真,统计相应的车辆平均延误时间。为了作比较,在完全相同的条件下,对定时控制也进行了仿真,结果如表2所示。

表2 模糊控制与定时控制比较 车流量/辆・h-1 两级模糊控制 定时控制

提高程度/% 40025.126.5 5.260026.428.67.7120029.138.223.8140031.540.622.4200034.751.232.22300 36.7 56.6 35.2

由仿真结果可以看出,在车流量不大时,两种控制

方式的效果差异不大。但随着车流量的增大,模糊控制的优势是十分明显的。5 结束语

以上将无线传感器网络引入到交通信号灯的控制

中来,搭建了无线传感器网络交通信号灯控制平台,提出了针对多路口交通灯控制的两级无线传感器网络组织结构。利用无线传感器网络的低功耗、自组织、分布式计算的特点,实现快速精确的车辆信息收集,提高了系统的响应速度和控制效果,具有较强的实时性和鲁棒性。同时,结合模糊控制理论,设计了干线信号灯控制算法,实现了交通信号灯的无线智能控制。参考文献: [1] 徐建闽.交通管理与控制[M ].北京:人民交通出版社, 2007211.[2] Akyildiz I F,Su W ,Sankarasubra mania m Y,et al.A survey on sens or net w orks[J ].Communicati ons Magazine,2002,40(8:102-114.[3] W ann C D,L in M H.Data fusi on methods f or accuracy i m 2

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高校的新产品。该版本软件的初衷是为了帮助教师实现基于科学、技术、工程和数学(STE M 学科项目的动手学习。

N I 与美国塔夫茨大学工程教育与外展服务中心(CEEO 一 起合作开发该产品,它是将工程集成到K 212教育的领导者。

N I 和塔夫茨大学CEEO 总裁和控制与机械电子教授Chris Rogers 博士共同合作,开发了该教育版软件,它可以有效帮

助高校教师使用工业、学术界工程师和科学家使用图形化系统设计技术,进而为工科学生提供动手实践经验。

LabV I E W 教育版软件可以帮助教师实现基于项目的动

手学习,并且将理论与实际世界的实例联系在一起。这一新版本软件能够与核心教育硬件平台无缝集成,例如LEG O M I N DST ORMS Educati on NXT、Vernier Sens or DAQ 以及TET 2R I X(Pitsco 开发的金属机器人构建系统,让教师能够轻松

地将机器人、测量和数据采集整合到课程中。软件的图形化拖放模式帮助学生学习主要的编程概念,并在获取专业世界中所使用的技术经验的同时,提高分析能力。新版本还包含可以在教室中使用的工具,包括数据查看器,能够图形化地显示传感器数据,虚拟示波器,以及其他让学生能够获得多种电子和机器工程技巧动手经验的虚拟仪器。此外,LabV IE W 教育版包括支持课程和教师活动,能够直接在

National Instruments、Vernier 软件与技术和LEG O 教学中使 用。□

第四篇：南水北调水质智能监测分析系统设计初探

南水北调水质智能监测分析系统设计初探

徐永兵，孙水英,袁 东

（山东省水利勘测设计院，济南，250013）

摘要：南水北调东线工程是一项旨在缓解山东、天津等北方省市水资源短缺的国家战略性调水工程，调水水质影响着整个工程的成败。本文就水质智能监测分析系统的设计进行了分析与研究，提出在已建项目的基础上，充分利用先进的物联网技术、大数据技术、WebGIS技术，建立一个高起点、见效快、实用性强、创新型的专业水质监测分析系统，能够提升水质监测管理级别，深化水质监测管理；能够对水质监测数据进行快速、综合分析，充分挖掘水质监测数据价值，优化水质分析评价，并能够借助移动终端、微信公众平台等新型介质通过地图、图表等多种形式展示数据成果；通过深入对比分析不同监测指标的变化情况，分析水质变化的原因，实现辅助决策支持。

关键词： 南水北调；东线工程；水质监测；智能化；辅助决策

0.引言

南水北调东线工程是一项旨在缓解山东、天津等北方省市水资源短缺的国家战略性调水工程[1]。2016年3月1日实现对威海市首次供水，标志着南水北调东线一期工程规划供水目标全部实现。调水水质关系到整个调水工程的成败，山东段已对输水沿线渠道、河道、湖泊、各支流汇入输水河道的水质进行监测[2]。为了充分挖掘发挥水质监测数据的价值，实现安全调水的辅助决策功能，就需要在对各监测断面水质监测数据智能分析的基础上，开展水质智能监测分析系统的建设。

1.建设现状与需求分析

1.1.建设现状

东线山东段现有2个移动监测实验室和1个固定监测实验室，并已实现对关键断面的水质自动监测，现有二级坝、南四湖出口、东平湖入口、东平湖北出口、东平湖穿黄工程出口、鲁北段聊城与德州交界处、济南以东段与引黄济青交界处等7处水质自动监测站。水质监测主要指标包括：常规五参数（水温、酸碱度、电导率、浊度、溶解氧）、高锰酸盐、氨氮、总磷、总氮、叶绿素等[3]。1.2.系统功能需求

（1）对水质监测数据的综合对比与分析

通过对水质监测实时数据和历史数据进行综合对比与统计分析，找出水质变化的原因，掌握水质变化的规律。

（2）实现安全调水的辅助决策功能

在突发水体污染事件时，分析出污染源的大体位置和污染成分，预测下游测水质指标

范围，自动生成污染水体的解决方案。

（3）水质监测分析数据展示

通过移动终端查看水质监测分析数据，查看地图、图表等多样化水质监测数据趋势展示，同时能够建立互动性信息平台，实现信息的交流和共享。

2.系统设计原则

（1）实用性原则

必须坚持快见效，见实效，以管理、业务、服务需求为出发点和原动力，紧密结合项目实际情况进行设计开发，确保系统实用、高效和方便，贯彻面向最终用户的原则，建立友好的用户界面，使用户操作简单直观，易于学习掌握。

（2）先进性原则

采用符合当今潮流和发展趋势的主流技术，被公众认可的优质开发和应用平台，采用先进成熟的软件架构、设计理念和开发手段，选用技术先进、成熟稳定的基础支撑软件，充分预见未来技术发展趋势，保证系统在不替换现有设备、不损失前期投资的情况下能方便地升级和扩容。

（3）开放性原则

尽可能地利用已有的设备、软件及信息资源，对于未来可能增添的新的子系统、新的数据库、新的功能、新的用户都要留有接口，系统可以随形势的发展而不断成长扩大。

3.建设的目标与任务

3.1.建设目标

水质监测智能监测分析系统基于指标和元数据体系，整合重构各类水质监测相关数据资源，形成水质数据资源体系，实现水质监测一张图、水质综合分析、移动综合展示和微信公众平台四大应用，实现南水北调东线一期工程山东段水质监测数据的资源化、价值化和智慧化，充分挖掘水质监测数据价值，深化水质监测管理，实现辅助决策支持。3.2.建设任务

（1）梳理水质监测分析相关的各类数据，提取指标，通过元数据体系，构建水质数据资源体系，构建水质数据中心，提供数据的采集、整合、管理和服务。

（2）构建水质监测一张图，实现以地理结构为框架，以水质监测数据为基础、以统计数据为依据的实现查询、分析、展示功能，以“一张图”的形式全方位、多角度展示水

质监测统计情况。

（3）构建水质综合分析系统，对水质监测数据进行深入分析，实现关键断面水质快速分析、水质预警预报、多断面综合分析、缓冲区统计分析，实现辅助决策支持。

（4）构建移动综合展示系统，通过移动终端展示水质监测成果，能够让管理者通过移动终端及时获取各类水质监测指标信息、综合统计信息及其它相关信息。

（5）构建微信公众平台，实现信息的发布、订阅、上传、共享，实现信息的有效互动。

4.系统总体设计

水质监测分析平台通过梳理完善南水北调东线一期工程山东段水质指标体系，构建水质资源基础框架及元数据管理体系，形成水质数据资源体系，以指标驱动应用，实现水质综合分析，并通过地图、图表等多样化可视化方式进行数据展示。平台以数据为核心，盘活水质监测数据资源，实现数据资源化、价值化、智慧化。

图 1 系统总体架构框图

硬件网络层：提供数据采集手段以及通信基础设备保障，构成必要的硬件和网络环境，可以利用现有硬件和网络设备。

数据资源层：存储所有数据及信息，是所有应用的数据资源支撑，完成数据资源和信

息资源的标准化、结构化、有序化，形成水利数据资源体系。

支撑平台层：作为整个系统的公共支撑与服务平台，是系统的数据交换中心、信息交流中心和GIS地理服务中心，为各类业务应用系统提供公共技术支撑，实现各业务应用统一的标准规范、公共平台、统一用户权限，可利用现有的应用支撑平台实现。

应用系统层：所有面向最终用户的应用系统，直接为用户提供服务。

用户接入层：主要各级机构的管理人员，接入层提供通过电脑、手机等多种方式提供给用户，具有良好的人机交互界面和在线帮助功能。

5.应用系统建设

水质监测分析平台包括水质监测一张图、水质综合分析、移动综合展示、微信公众平台四大应用。5.1.水质监测一张图

水质监测一张图不仅包括常见的地图基本操作功能，还对资源进行综合展示，提供地理信息系统特有的空间查询分析功能，并结合统计数据实现各类指标的专题统计展示。

（1）自动监测站展示

资源显示：能够显示自动监测站的整体情况（如数量、名称等）及在地图上的分布情况。

信息显示：在地图上漫游到自动监测站，显示详细信息，同时能够查看到自动监测站的实时数据、历史数据。

快速定位：实现资源显示与地图的关联，能够快速定位到自动监测站所处的地点，可查看到资源的详细信息。

（2）移动监测站展示

资源显示：能够显示移动实验室的设备配置情况。信息显示：展示实时监测分析数据和历史数据等。

快速定位：实现资源显示与地图的关联，能够快速定位到移动实验室所处的地点，可查看到资源的详细信息。

（3）固定实验室展示

资源显示：能够显示固定实验室的整体情况（如数量、名称及设备配置等）及在地图上的分布情况。

信息显示：在地图上漫游到固定实验室，显示详细信息，同时还可展示实时监测分析

数据等。

快速定位：实现资源显示与地图的关联，能够快速定位到固定实验室所处的地点，可查看到资源的详细信息。5.2.水质综合分析

（1）水质监测查询统计

水质监测查询：可根据指标查询水质监测站监测的水质情况。可按照水质级别指标，也可按照物理指标、化学指标、生物指标进行对各个水质监测站点进行查询。

特征值统计：按时段统计站点的监测项目的样品总数、检出率、超标率、实测范围、最大值超标倍数、最大值出现日期和时段平均值。特征值统计有年统计、任意时段统计和自定义统计。

水质统计：包括水质评价基本情况统计、水质统计和水质类别统计等。

超标统计：统计包括干线超标站点统计、行政区超标站点统计、单项超标站点统计和单项超标率统计。

（2）关键断面水质快速分析

饼形分析：以饼形图分析此断面的各个水质污染指标占比，进而分析出那个污染是主要污染。

趋势分析：各个水质污染物数据以趋势展现，可根据此趋势对比分析出各个污染源情况以及哪个污染源上升最快，哪个污染源相对稳定，哪个污染源在逐渐降低。

报表分析：单独水质污染物报表分析：分析不同时段的此污染物对应的污染程度。多水质污染物报表分析：分析不同污染物在相应的时段污染情况。

图形分析：以不同的颜色标注的同一个断面图上的不同污染物，进而直观得看出断面的水质情况。

（3）水质预警、预报

水质预警预报是在一定范围内，对一定时期的水质状况进行分析、评价，确定水质的状况和水质变化的趋势、速度，以及达到某一变化限度的时间等，预报不正常状况的时空范围和危害程度，按需要适时地给出变化或恶化的各种警戒信息及相应的综合性对策。

（4）多断面综合分析

通过对比分析不同断面监测指标的变化情况，分析水质变化的原因，并提出相应的措施，实现辅助决策支持。

多断面图形分析：多断面同一污染源图形展示分析，直观分析出此种污染源在不同断面的分布情况，是否因为新的污染进入进而造成某一断面此种污染上升。

多断面不同污染物图形展示分析，以可视化友好的方式展现不同污染物在不同断面的分布情况。

多断面历史回溯分析：基于多断面多污染源历史回溯，能够查询分析水质在不同时刻不同断面的情况。

多断面趋势分析：多断面多水质指标趋势分析，分析出不同水质指标在不同断面的变化速度和相应的趋势，是指标在不断下降还是在加快上升，下游断面的水质指标在上升还是在下降，为调度运行提供决策支持。5.3.移动综合展示

移动综合展示通过移动终端的形式为各级管理人员提供服务，能够及时展示水质监测的整体情况、运行状态、指标监测情况、综合统计情况及动态信息。

地图浏览：可进行地图浏览，能够对闸泵站、监测站等进行查询，也可以根据位置查看周围的各类信息。

工程概况：通过列表、图片和图表等多种方式直观展示闸泵站、监测站概况信息。运行状态：通过地图、图片、图表、文字等多种可视化展示工程运行状态的实时信息，能够及时看到更新的信息和统计情况，监督工程的运行管理工作，如查看水质监测站各个设备是否在运行，运行次数，已投入运行时间，设备故障情况，故障频率，故障次数。

指标监测：直观展示水质监测分析重要指标信息，包括指标数据、上升下降趋势等，如水质级别、常规五参数等等，对于异常指标能够进行提醒。

综合统计：对指标数据进行查询，可根据兴趣选择任意指标、时间进行统计，提供地图和图表等多种方式展现综合统计结果。5.4.微信公众平台

水质监测微信公共平台针对关心调水水质的用户及管理人员提供信息服务，构建信息互动平台。主要包括：

信息推介：重要信息实时推送到用户端，可对用户分类推送，针对不同的用户关心信息种类不同，进行区别推送。对领导层推送宏观主要数据和信息，对操作用户推送运行情况等操作人员关心的信息。对用水用户推送相应区段用户关心的水质情况。

定制服务：不同的使用者可进行水质信息定制，比如某个用户只关心其中两个站点的

COD数据，可进行定制，系统进行定时推送。

信息上传：用户可通过微信客户端，上传文字、图片、音频、视频等。

6.总结

山东段水质智能监测分析系统是在已建项目的基础上，充分利用先进的物联网技术、大数据技术、WebGIS技术，建立一个高起点、见效快、实用性强、创新型的专业水质监测管理系统，提升水质监测管理级别，深化水质监测管理；对水质监测数据进行快速、综合分析，充分挖掘水质监测数据价值，优化水质分析评价，并能够借助移动终端、微信公众平台等新型介质通过地图、图表等多种形式展示数据成果；通过深入对比分析不同监测指标的变化情况，分析水质变化的原因，实现辅助决策支持。该系统的建设具有十分重要的现实意义，建议南水北调建设管理单位尽快推进该系统的建设。

参考文献：

[1]徐永兵，孙水英.MOSAIC SCADA在南水北调闸（泵）站监控系统中的应用 [J].水利信息化，2015（5）：39-43.[2]矫桂丽，朱丽丽，祖晶.南水北调东线山东段水质监测站点的布设[J].水利规划与设计，2013（6）：48-50.[3]徐永兵，孙水英.南水北调东线一期工程南四湖水资源监测系统设计思路与技术要点[C].中国水利学会水资源专业委员会2015年年会暨学术研讨会会议论文集，2015.[4]陈翔，雷晓晖，蒋云钟.南水北调中线决策会商与应急响应系统设计研究[J].水利信息化，2015（2）：5-9.Study on system design and analysis of intelligent monitoring of water quality in the south to North Water Diversion Project

XU Yongbing，SUN Shuiying，YUAN Dong（Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy，Jinan 250013，China）Abstract: The eastern route of South to North Water Diversion Project is a designed to ease the Shandong, Tianjin and other provinces and cities in the north of the shortage of water resources of national strategic adjustment of water project, the water quality of water diversion affect the success or failure of the whole project.The intelligent monitoring of water quality analysis system design to carry on the analysis and the research, proposed in the construction project based on, make full use of advanced network technology, data technology, WebGIS technology, the establishment of a high starting point, quick, practical strong, innovative professional water quality monitoring and analysis system.The system can enhance the management level of water quality monitoring, water quality monitoring and management deepen.The system can rapidly and comprehensive analysis of the monitoring data of water quality, fully tap the value of water quality monitoring data, optimize water quality analysis and evaluation.System to use mobile terminal, micro channel public platform and other new media to demonstrate the results of the data through the maps, diagrams and other forms，through in-depth comparative analysis of different indicators for monitoring the changes and reasons for changes in water quality analysis, aided decision support.Key word：South-to-north water diversion；East line project;Water quality monitoring;Intelligent;Assistant decision 作者简介：

徐永兵、1981年02月、男、工程硕士、工程师、水利信息化、***、xu_yongbing@sina.com

第五篇：智能制造系统论文

智能制造概述

摘要：介绍了智能制造提出的背景、主要研究内容和目标, 人工智能与 I M T、I M S的关系, I M S 和C I M S, 智能制造的物质基础及理论基础, 智能制造系统的特征及框架结构, 并简要介绍了智能加工中心 IMC, 智能制造技木的发展趋势，以及智能制造系统研究成果及存在问题。关键词：智能制造，IMS, IMC, IMT。

Abstract：Intelligent Manufacturing introduced the background, main contents and objectives, Artificial Intelligence and IMT, IMS relations, IMS and CIMS, intelligent manufacturing and the material basis of the theoretical basis of the characteristics of intelligent manufacturing system and the framework structure, and gave a briefing on intelligence Machining Center IMC, intelligent manufacturing technology development trend of wood, as well as the Intelligent Manufacturing Systems research results and problematic.Key words: Intelligent Manufacturing, IMS, IMC, IMT。

一.智能制造提出的背景

制造业是国民经济的基础工业部门, 是决定国家发展水平的最基本因素之一。从机械制造业发展的历程来看, 经历了由手工制作、泰勒化制造、高度自动化、柔性自动化和集成化制造、并行规划设计制造等阶段。就制造自动化而言, 大体上每十年上一个台阶: 50～ 60年代是单机数控, 70 年代以后则是CNC 机床及由它们组成的自动化岛, 80 年代出现了世界性的柔性自动化热潮。与此同时, 出现了计算机集成制造, 但与实用化相距甚远。随着计算机的问世与发展, 机械制造大体沿两条路线发展: 一是传统制造技术的发展, 二是借助计算机和自动化科学的制造技术与系统的发展。80年代以来, 传统制造技术得到了不同程度的发展,但存在着很多问题。先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺和系统的设计人员和管理人员提出了新的挑战, 传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出现的问题, 这就促使我们借助现代的工具和方法, 利用各学科最新研究成果, 通过集成传统制造技术、计算机技术与科学以及人工智能等技术, 发展一种新型的制造技术与系统, 这便是智能制造技术(In telligen t M anufactu r ingTechno logy, I M T)与智能制造系统(In telligen tM anufactu r ing System , I M S)[1 ]。

年代以后, 世界各国竞相大力发展 I M T 和I M S 的深层次原因有:(1)集成化离不开智能 制造系统是一个复杂的大系统, 其中有多年积累的生产经验, 生产过程中的人—机交互作用, 必须使用的智能机器(如智能机器人)等。脱离了智能化, 集成化也就不能完美地实现。

(2)机器智能化比较灵活 可以选择系统智能化, 也可以选择单机智能化;单机可发展一种智能,也可发展几种智能;无论在系统中或单机上, 智能化均可工作, 不像集成制造系统, 只有全系统集成才可工作。

(3)智能化的经济效益较高 现有的计算机集成制造系统(Compu ter In tegratedM anufactu r ingSystem , C I M S)少则投资数千万元, 多则投资数亿元乃至数十亿元, 很少有企业能承担得起, 而且投入正常运行的很少, 维护费用也高, 还要废弃原有的设备, 难以推广。

(4)白领化使得有丰富经验的机械工人和技术人员日益缺少，产品制造技术越来越复杂, 促使使用人工智能和知识工程技术来解决现代化的加工问题。(5)工厂生产率的提高更多地取决于生产管理和生产自动化 人工智能与计算机管理相结合, 使得不懂计算机的人也能通过视觉、对话等智能手段实现生产管理的科学化。

总之，以计算机信息技术为基础的高新技术得到迅猛发展 ,为传统的制造业提供了新的发展机遇。计算机技术、信息技术、自动化技术与传统制造技术相结合 ,形成了先进制造技术概念。冷战结束以后 ,国际间竞争的重点由单纯的军事实力较量转向以发展经济和提高国民生活水平的综合国力较量 ,随之而来的这种国际间高新技术领域的竞争愈演愈烈 ,且其发展形式由最初的仅依托本国的人力、物力和财力 ,发展到国际间的大规模合作。近年来由发达国家倡导的面向21世纪的 “智能制造系统”、“信息高速公路” 等国际研究计划 ,无疑是该背景下的产物 ,也是国际间进行高科技研究开发的具体表现和积极占领 21 世纪高科技制高点的象征。二.主要研究内容和目标

智能制造在国际上尚无公认的定义。目前比较通行的一种定义是, 智能制造技术是指在制造工业的各个环节, 以一种高度柔性与高度集成的方式,通过计算机来模拟人类专家的制造智能活动。因此, 智能制造的研究开发对象是整个机械制造企业, 其主要研究开发目标有二: ①整个制造工作的全面智能化, 它在实际制造系统中首次提出了以机器智能取代人的部脑力劳动作为主要目标, 强调整个企业生产经营过程大范围的自组织能力;②信息和制造智能的集成与共享, 强调智能型的集成自动化。目前, I M T 和 I M S 的研究方向已从最初的人工智能在制造领域中的应用(A i M)发展到今天的I M S, 研究课题涉及的范围由最初仅一个企业内的市场分析、产品设计、生产计划、制造加工、过程控制、信息管理、设备维护等技术型环节的自动化, 发展到今天的面向世界范围内的整个制造环境的集成化与自组织能力, 包括制造智能处理技术、自组织加工单元、自组织机器人、智能生产管理信息系统、多级竞争式控制网络、全球通讯与操作网等。

由日本提出的 I M S 国际合作研究计划对 I M S的解释可以看出, I M S 的研究包括智能活动、智能机器以及两者的有机融合技术, 其中智能活动是问题的核心。在 I M S 研究的众多基础技术中, 制造智能处理技术是最为关键和迫切需要研究的问题之一, 因为它负责各环节的制造智能的集成和生成智能机器的智能活动。在一个国家甚至世界范围内, 企业之间有着密切的联系, 譬如, 采用相同的生产设备和系统, 有着类似的生产控制与管理方式,上下游产品之间的联系, 等等。其间存在的突出问题是产品和技术的规范化、标准化和通用化、信息自动交换形式与接口以及制造智能共享等。

国际 I M S 计划的基本观点如下: ①I M S 是21世纪的制造系统, 必须开发与之相适应的制造技术;②应对这些技术进行组织化和系统化;③加强技术的标准化;④考虑人的因素;⑤保护环境。该计划由已有生产技术的体系化和标准化、21 世纪生产技术的研究与开发两大部分构成。

1992 年4 月在日本召开的第一次国际技术委员会, 确定了4 个主题: ①技术课题;②选择原则;③评价程序;④执行准则。由国际 I M S 中心成员提出的首批10 项研究课题是①企业集成;②全球制造;③系统单元技术;④清洁制造技术;⑤人与组织研究;⑥先进的材料加工技术;⑦全球并行工程(评估和实施);⑧自主模块的系统设备与分布控制;⑨快速产品开发;b k知识系统化(设计与制造)。美国国家科学基金会(N SF)已连续数年重点资助了与智能制造有关的研究项目, 这些项目覆盖了智能制造的绝大部分技术领域, 包括制造过程中的智能决策、基于多施主(mu lt i-agent)的智能协作求解、智能并行设计、物流传输的智能自动化、智能加工系统和智能机器等。

日本提出的智能制造系统国际合作计划, 以高新计算机为后盾、深受其 “真空世界” 计算机研究计划的影响。其主要研究内容如下: ①强调部分代替人的智能活动, 实现部分人的技能;②使用智能计算机技术来集成设计制造过程, 使之一体化, 以虚拟现实技术实现虚拟制造, 以多媒体的人机接口技术、虚拟现实技术, 实现职业教育;③强调全球制造网络的生产制造技术, 通过卫星、In ternet 和数字电话网络实现全球制造;④强调智能化与自律化的智能加工系统以及智能化CNC、智能机器人的研究。⑤重视分布式人工智能技术的应用, 强调自律协作代替集中递阶控制。

I M T 与 I M S 的研究与开发对于提高产品质量、生产效率和降低成本, 提高国家制造业响应市场变化的能力和速度, 以及提高国家的经济实力和国民的生活水准, 均具有重大的意义。其研究目标是要实现将市场适应性、经济性、人的重要性、适应自然和社会环境的能力、开放性和兼容能力等融合在一起的生产系统: ①使整个制造过程实现智能化, 并具有自组织能力;②I M S 是一个集成许多工厂和多种机器设备的混合系统;③具备满足各种社会需求的柔性;④能充分发挥人的作用;⑤易于操作;⑥总效率高;⑦能避免重复投资等。人工智能的目的是为了用技术系统来突破人的自然智力的局限性 ,达到对人脑的部分代替、延伸和加强的目的 ,使那些单靠人的天然智能无法进行或带有危险性的工作得以完成 ,从而使人类的智慧能集中到那些更富于创造性的工作中去。人是制造智能的重要来源 ,在制造业走向智能化过程中起着决定性作用。目前在整体智能水平上 ,与人工系统相比 ,人的智力仍然是遥遥领先的。人工智能模拟的蓝本主要是人类的智能 ,但人类的智能是随时间不断变化的 ,而这种变化又是无止境的 ,只有人与机器有机高度结合 ,才能实现制造过程的真正智能化。智能制造被称为新世纪的制造技术 ,目前之所以还不能实现 ,是由于要受到目前科学技术、人以及经济等诸多方面的制约。智能与思维智能 ,就是在各种环境和目的的条件下正确制定决策和实现目的的能力。在这里 ,给定的环境和目的是问题的约束条件 ,制定正确的决策是智能的中心环节 ,而有效地实现目的 ,则是智能的评判准则。从信息处理的角度讲 ,智能可以看成是获取、传递、处理、再生和利用信息的能力。而思维能力是整个智能活动中最复杂、最核心的部分 ,主要指处理和再生信息的能力。这种信息处理的过程是十分复杂和多样化的 ,归纳起来 ,大体可分为 3 种基本的类型 ,即:经验思维、逻辑思维和创造性思维。在工艺设计过程中 ,这三种类型的思维都存在 ,在不同层次的决策中起着重要作用。

总之，智能制造技术是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术。其具体表现为:智能设计、智能加工、机器人操作、智能控制、智能工艺规划、智能调度与管理、智能装配、智能测量与诊断等。它强调通过“ 智能设备 ” 和“ 自治控制 ” 来构造新一代的智能制造系统模式。智能制造系统具有自律能力、自组织能力、自学习与自我优化能力、自修复能力 ,因而适应性极强 ,而且由于采用 VR技术 ,人机界面更加友好。因此 , I M技术的研究开发对于提高生产效率与产品品质、降低成本 ,提高制造业市场应变能力、国家经济实力和国民生活水准 ,具有重要意义。智能制造是制造系统柔性自动化和集成自动化的新发展和重要组成部分 ,因此未来智能制造将向智能集成的方向发展 ,未来智能制造的研究将着重于智能传感与检测(如智能传感器、智能传感与检测技术、光纤传感技术等)。

三.人工智能与 I M T、I M S 人工智能的研究, 一开始就未能摆脱制造机器生物的思想, 即 “机器智能化”。这种以 “自主” 系统为目标的研究路线, 严重地阻碍了人工智能研究的进展。许多学者已意识到这一点, Feigenbaum、N ew ell、钱学森从计算机角度出发, 提出了人与计算机相结合的智能系统概念。目前国外对多媒体及虚拟技术研究进行大量投资, 以及日本第五代智能

计算机研制计划的搁浅等事例, 就是智能系统研究目标有所改变的明证。

人工智能技术在机械制造领域中的应用涉及市场分析、产品设计、生产规划、过程控制、质量管理、材料处理、设备维护等诸方面。结果是开发出了种类繁多的面向特定领域的独立的专家系统、基于知识的系统或智能辅助系统, 形成一系列的 “智能化孤岛”。随着研究与应用的深入, 人们逐渐认识到, 未来的制造自动化应是高度集成化与智能化的

人—机系统的有机融合, 制造自动化程度的进一步提高要依赖于整个制造系统的自组织能力。如何提高这些 “孤岛” 的应用范围和在实际制造环境中处理问题的能力, 成为人们的研究焦点。在80 年代末和90 年代初, 一种通过集成制造自动化、新一代人工智能、计算机等科学技术而发展起来的新型制造工程—— I M T 和新——代制造系统—— I M S 便脱颖而出。

人工智能在制造领域中的应用与 I M T 和I M S 的一个重要区别在于, I M S 和 I M T 首次以部分取代制造中人的脑力劳动为研究目标, 而不再仅起 “辅助和支持” 作用, 在一定范围还需要能独立地适应周围环境, 开展工作。

四.I M S 和C I M S C I M S 发展的道路不是一帆风顺的。今天,C I M S 的发展遇到了不可逾越的障碍, 可能是刚开始时就对C I M S 提出了过高的要求, 也可能是C I M S 本身就存在某种与生俱来的缺陷, 今天的C I M S 在国际上已不像几年前那样受到极大的关注与广泛地研究。从C I M S 的发展来看, 众多研究者把重点放在计算机集成上, 从科学技术的现状看, 要完成这样一个集成系统是很困难的。

C I M S 作为一种连接生产线中的单个自动化子系统的策略, 是一种提高制造效率的技术。它的技术基础具有集中式结构的递阶信息网络。尽管在这个递阶体系中有多个执行层次, 但主要控制设施仍然是中心计算机。C I M S 存在的一个主要问题是用于异种环境必须互连时的复杂性。在C I M S 概念下, 手工操作要与高度自动化或半自动化操作集成起来是非常困难和昂贵的。在C I M S 深入发展和推广应用的今天, 人们已经逐渐认识到, 要想让C I M S 真正发挥效益和大面积推广应用, 有两大问题需要解决: ①人在系统中的作用和地位;②在不作很大投资对现有设施进行技术改造的情况下亦能应用C I M S。现有的C I M S概念是解决不了这两个难题的。今天, 人力和自动化是一对技术矛盾, 不能集成在一起, 所能做的选择, 或是昂贵的全自动化生产线, 或是手工操作, 而缺乏的是人力和制造设备之间的相容性,人机工程只是一个方面的考虑, 更重要的相容性考虑要体现在竞争、技能和决策能力上。人在制造中的作用需要被重新定义和加以重视。

事实上, 在70 年代末和80 年代初, 人们已开始认识到人的因素在现代工业生产中的作用。英国出版公司(IFS)于 1984 年就首次发起了第一届“制造中人的因素” 研讨会, 目的在于提高人们对制造环境中人的因素及其所起作用的认识。事实证明, 人是 I M S 中制造智能的重要来源。值得指出的是, C I M S 和 I M S 都是面向制造过程自动化的系统, 两者密切相关但又有区别。

C I M S 强调的是企业内部物料流的集成和信息流的集成;而 I M S 强调的则是更大范围内的整个制造过程的自组织能力。从某种意义上讲, 后者难度更大, 但比C I M S 更实用、更实际。C I M S 中的众多研究内容是 I M S 的发展基础, 而 I M S 也将对C I M S 提出更高的要求。集成是智能的基础, 而智能也将反过来推动更高水平的集成。I M T 和 I M S 的研究成果将不只是面向21 世纪的制造业, 不只是促进C I M S 达到高度集成, 而且对于FM S、M S、CNC 以至一般的工业过程自动化或精密生产环境而言, 均有潜在的应用价值。有识之士对人工智能技术、计算机科学和C I M S 技术进行了全面的反思。他们在认识机器智能化的局限性的基础上, 特别强调人在系统中的重要性。如何发挥人在系统中的作用, 建立一种新型的人—机的协同关系, 从而产生高效、高性能的生产系统, 这是当前众多学者都会提出的问题, 也正是C I M S 所忽视的关键因素, 这一因素导致了C I M S 发展中不可逾越的障碍。值得一提的是有的学者特别强调 “人件(Humanw are)” 在系统中的重要性, 提出C I M S 的开放结构体系思想。最引人注目的是欧共体的ESPR IT 计划中单独列出的一个研究子项, 即 “以人为中心的C I M S”。甚至有人索性称以人为中心的 C I M S 为 H I M S(HumanIn tegrated M anufactu r ing System), 指出集成制造系统首先是 “人的集成”。耐人寻味的是, 目前研究的 “精良生产” 与 “敏捷制造” 等新型制造系统的主要出发点也是强调 “人” 的作用, 即 “以人为中心”。

五．智能制造的物质基础及理论基础 1.智能制造系统的物质基础主要有:

(1)数控机床和加工中心 美国于 1952 年研制成功第一台数控铣床 ,使机械制造业发生一次技术革命。数控机床和加工中心是柔性制造的核心单元技术。(2)计算机辅助设计与制造提高了产品的质量和缩短产品生产周期 ,改变了传统用手工绘图、依靠图纸组织整个生产过程的技木管理模式。

(3)工业控制技术、微电子技术与机械工业的结合 — — — 机器人开创了工业生产的新局面 ,使生产结构发生重大变化 ,使制造过程更富于柔性扩展了人类工作范围。

(4)制造系统为智能化开发了面向制造过程

中特定环节、特定问题的 “智能化孤岛”,如专家系统、基干知识的系统和智能辅助系统等。

(5)智能制造系统和计算机集成制造系统用

计算机一体化控制生产系统 ,使生产从概念、设计到制造联成一体 ,做到直接面向市场进行生产 ,可以从事大小规模并举的多样化的生产;近年来 ,制造技术有了长足的发展和进步 ,也带来了很多新问题。数控机床、自动物料系统、计算机控制系统、机器人等在工业公司得到了广泛的应用 ,越来越多的公司使用了 “计算机集成制造系统(CIMS)”、“柔性制造系统(FMS)”、“工厂自动化(FA)”、“多目标智能计算机辅助设计(M1CAD)”、“模块化制造与工厂(MXMF)、并行工程(CE)”、“智能控制系统(ICS)” 以及 “智能制造(IM)”、“智能制造技术(IMT)” 和 “智能制造系统(IMS)” 等等新术语。先进的计算机技术、控制技术和制造技术向产品、工艺和系统的设计师和管理人员提出了新的挑战 ,传统的设计和管理方法不能再有效地解决现代制造系统提出的问题了。要解决这些问题、需要用现代的工具和方法 ,例如人工智能(AI)就为解决复杂的工业问题提出了一套最适宜的工具。2.智能制造技术的理论基础

智能制造技术是采用一种全新的制造概念和实现模式。其核心特征强调整个制造系统的整体“智能化” 或 “自组织能力” 与个体的 “自主性”。“智能制造国际合作研究计划J IRPIMS” 明确提出: “智能制造系统是一种在整个制造过程中贯穿智能活动 ,并将这种智能活动与智能机器有机融合 ,将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各个环节以柔性方式集成起来的能发挥最大生产力的先进生产系统”。基于这个观点,在智能制造的基础理论研究中 ,提出了智能制造系统及其环境的一种实现模式 ,这种模式给制造过程及系统的描述、建模和仿真研究赋予了全新的思想和内容 ,涉及制造过程和系统的计划、管理、组织及运行各个环节 ,体现在制造系统中制造智能知识的获取和运用 ,系统的智能调度等 ,亦即对制造系统内的物质流、信息流、功能决策能力和控制能力提出明确要求。作为智能制造技术基础 ,各种人工智能工具 ,及人工智能技术研究成果在制造业中的广泛应用 ,促进了智能制造技术的发展。而智能制造系统中 ,智能调度、智能信息处理与智能机器的有机融合而构成的复杂智能系统 ,主要体现在以智能加工中心为核心的智能加工系统的智能单元上。作为智能单元的神经中枢——智能数控系统 ,不仅需要对系统内部中各种不确定的因素如噪声测量、传动间隙、摩擦、外界干扰、系统内各种模型的非线性及非预见性事件实施智能控制 ,而且要对制造系统的各种命令请求做出智能反应。这种功能已远非传统的数控系统体系结构所能胜任 ,这是一个具有挑战性的新课题。对此有待研究解决的问题有很多 ,其中包括智能制造机理、智能制造信息、制造智能和制造中的计算几何等。总之 ,制造技术发展到今天 ,已经由一种技术发展成为包括系统论、信息论和控制论为核心的、贯穿在整个制造过程各个环节的一门新型的工程学科 ,即制造科学。制造系统集成与调度的关键是信息的传递与交换。从信息与控制的观点来看 ,智能制造系统是一个信息处理系统 ,由输入、处理、输出和反馈等部分组成。输入有物质(原料、设备、资金、人 员)、能量与信息;输出有产品与服务;处理包括物料的处理与信息处理;反馈有产品品质回馈与顾客反馈。制造过程实质上是信息资源的采集、输入、加工处理和输出的过程 ,而最终形成的产品可视为信息的物质表现形式。

六．智能制造系统的特征及框架结构

1.为了提出有我国特色的智能制造模式 ,首先要搞清智能系统应具有什么特征。当前对智能系统的理解有两种不同的意见:一种是从科学的角度来看这个问题的意见 ,即认为只有具备下列特征的系统才能称为智能系统:一个系统既具有人类智能(或部分地),又具有与人类实现其智能相似的过程与途径。另一种是从工程的角度来看这个问题的意见 ,即认为一个系统只要具有(或部分具有)人类智能就称为智能系统 ,而不管实现其智能的过程与途径。我们这里所讨论的问题是关于智能制造系统的问题 ,也就是从工程角度来讨论智能系统的问题。我们认为:在工程上 ,智能系统的特征有以下几个方面 ,具有下列特征之一的系统 ,从工程角度看 ,就可称为智能系统：(1)多信息感知与融合;(2)知识表达、获取、存储和处理(主要是识别、设计、计算、优化、推理与决策);(3)联想记忆与智能控制;(4)自治性 自相似、自学习、自适应、自组织、自维护;(5)机器智能的演绎(分解)与归纳(集成);(6)容错。

2.智能制造系统模式的框架结构

整个系统是一个多智能体分布式网络结构 ,分成四个部分:中心层、管理层、计划层和生产层。每个层由具有自治性的多智能体组成 ,这种多智能体具有相似的结构 ,但根据任务的不同而有不同的自学习、自适应、自组织、自维护功能。智能系统有一定的容错能力 ,可以在不完整的信息或偶然误差出现时正常地工作。系统与因特网兼容 ,可以进行企业动态联盟、招标、投标及电子商务 ,还可形成虚拟制造的支持环境。

七． 智能加工中心 IMC 1.智能加工中心是智能制造系统中一种典型的智能加工机器。作为以 IMC 为主的智能加工单元 ,其任务为感知、决策、加工、控制与学习。智能加工中心既是智能制造过程和系统的实验和应用对象 ,也是智能制造技术的缩影和实现通道。它与普通的加工中心(MC)有着本质的区别 ,除了完成数控代码规定的加工任务外 ,能够根据信息的综合进行自主决策 ,实时调整自身行为 ,适应环境和自身的不确定性变化 ,即应具有 “自主性” 和 “自组织” 能力 ,实现对 IMC的数控系统进行实时干预与智能控制。数控加工中心的实时智能控制 ,表现为三个方面:第一是远程控制 ,通过通信线路对加工现场进行控制 ,对加工中心的加工操作和加工状态进行监视;第二是故障识别与处理 ,如刀具磨损识别与自动更换备用刀具、自激振动识别与自动抑制或消除等;第三是自适应控制 ,根据检测到的过程控制信息自适应地改变加工参数。而智能加工中心对信息的获取与处理表现在对加工环境和加工状态的自主响应能力 ,其中对刀具状态的监测是评判加工状态的重要依据。加工中心刀具状态实时在线智能监测系统 ,及基于神经网络与模糊识别模式的多传感器融合技术的刀具磨、破损监测

系统的成功开发 ,为智能制造信息的自动获取 ,成功提供了有力的保证。2.智能加工中心的主要功能

在智能加工中心中 ,智能数控系统是 IMC 的神经中枢 ,其智能化程度直接决定了整个智能制造系统的智能水平。智能数控系统具有高级的自主控制功能 ,能将任务请求、作业规划、轨迹控制、过程监视与控制、错误自修复等功能有机结合起来。面向制造系统 ,它是任务驱动的柔性规划学习系统 ,而面对复杂的物流加工环境 ,它又是 “刺激一反应” 型的再励系统 ,能对来自内部和外界环境的多种刺激做出理智的决策 ,从而以最优策略完成目标任务。通过对智能制造环境下的加工过程进行分析 ,确定加工中心应具备的主要功能有:(1)感知功能 ,根据多种传感器信号的收集、特征提取和信息融合 ,实现加工对象感知和系统状态感知。

(2)决策功能 ,在感知的基础上通过决策 ,明确其在整个制造系统中的作用、与其它智能机器的关系 ,并确定自身的行为方式。

(3)控制功能 ,智能加工中心根据决策结果进行处理 ,采用最优化的方式完成加工任务 ,并保证加工过程得到可靠的监视和维护。

(4)通信功能 ,包括与 CAD/ CAM 系统的智能通信 ,实现数据与知识的交流 ,支持并行工程策略;与其它智能加工机器的智能通信 ,交流状态信息 ,协调加工负荷;与人类专家和操作人员的智能通信 ,提供良好的人机交互环境 ,为智能机器提供知识单元 ,做出相应决策。

(5)学习功能 ,依据决策、控制和加工指令 ,以及由此引起的状态变化和最终加工任务 ,学习和积累相关知识 ,改进决策和控制策略。此外 ,还包括从人类专家和其它智能机器直接获取知识。

八．智能制造技木的发展趋势 智能制造是从 80 年代末发展起来的 ,最旱的几本有关智能制造及系统方面的专著是在 1988年由 Wrightfg MilaciC 等人编写的 ,随后、Kusiak和 Pain也相继出版了这方面的研究著作。这些专著所描述的 IMS仍基于设计与制造技术所提出的问题和解决的工具与方法。在许多工业化国家、人工智能已被当作求解现代工业提出的问题的工具和方法。因此 ,这些专著仅着力于人工智能在制造业中的应用和智能系统研究与应用中提出的问题的求解、使用基于知识的系统(如级联结构系统)和优化方法来解决自动化制造环境中零件、产品、系统的设计与制造 ,以及自动制造系统的规划与调度(管理)问题。先进的工业化国家在研究 FMS、CIMS、FA 及AI筹的基础上 ,为了进行国际间制造业的共同协作研究、开发、设计、生产、物流、信息流、经营管理乃至制造过程的集成化与智能化等而提出来的智能制造系统 ,也是为了解决各发达国家面临的企业活动全球化、重复投资增大、现场熟练技术工人不足和社会对产品的需求变化等因素而倡导的国际制造业的合作。在迸行智能制造及其相关技术与系统的研究方面、首推日本在 1990 年提议和倡导的日、美、欧之间建立的国际运营委员会、国际技术委员会和附属机构 IMS中。大有主宰未来制造技术的趋势。1991～ 1993 年 Barschdor 汀和 Monostori 等应用人工神经网络(ANNS)到智能制造中进行加工过程的建模、监测、诊断、自适应控制;通过神经网络的知识表示和学习能力 ,缩短 CIMS的反应时间 ,提高产品的质量 ,使系统更可靠。而 Furukawa则对智能机器的设计程序及它在自动导引车中的应用作了介绍。被称为是二十一世纪的制造技术的智能制造系统 ,目前国内外已相继开展了国际联合研究计划。智能制造系统与当前任何制造系统相比 ,在体系结构上有着根本意义上的不同 ,具体体现在:一是采用开放式系统设计策略。通过计算机网络技术 ,实现共享制造数据和制造知识 ,以保证系统质量。这是将计算机界先进的设计和开发思想融入到制造系统的结果 ,因而使制造系统向拟人化的方向进一步发展。二是采用分布式多自主体智能系统设计策略 ,其基本思想是:赋予制造系统中各组成部分或子系统一定的自主权 ,使其形成一个封闭的具有完整功能的自主体 ,这些自主体以网络智能结点的形式联接在通讯网络上 ,各个智能结点在物理上是分散的 ,在逻辑上是平等的。通过各结点的协同处理与合作 ,共同完成制造系统任务 ,实现人与人的知识在制造中的核心地位。此外 ,生物制造与仿生机械的科学与技术、生物自生长成形制造、绿色制造的科学与技术包括产品与人类和自然的协调理论 ,产品绿色工艺(如Near2Zero Waste)等也极大地丰富了智能制造的范畴 ,促进了智能制造系统的发展。目前 ,我国一些高等院校也在进行智能制造技术的研究 ,如南京航空航天大学机电学院朱剑英教授成立的智能制造科研组 ,一方面跟踪国际智能制造的最新研究动态 ,另一方面从事智能制造关键基础技术的预研工作 ,为地区及我国智能制造技术的发展做出了一定贡献。遗憾的是 ,由于种种原因 ,我国政府主管部门和有关大公司、厂家并无迹象表明对智能制造已引起足够的重视 ,至今也未得到我国机械学科的普遍关注。相信随着人们对智能制造系统认识的逐步深入 ,智能制造系统必将得以迅猛发展 ,迎头赶上世界先进发展水平。

九．智能制造系统研究成果及存在问题

目前对分布式制造系统的研究虽然还处于初期阶段 ,但已在不同层次、不同侧面上取得了大量令人振奋的基础理论研究成果和应用成果 ,如制造 Agent的个体目标机制(如奖惩机制、市场机制、目标函数等)等。这些研究成果奠定了MAS在制造控制中应用的基础。但是 ,由于制造 Agent 在信息、知识和控制上的完全分布 ,每个 Agent 对环境、对整个问题求解活动及其他Agent 的意图只有部分的、不完全的知识 ,并且拥有的知识可能互相不一致 ,各个 Agent只能根据不完备的知识与不完整、不同步的信息做出局部决策。又由于整个系统缺乏类似中央控制的机制 ,因而整个系统的控制和决策往往不能达到最优效果 ,而且不可避免地存在大量难以解决的决策冲突(C onflict)和死锁(Deadlock)。因此 ,对分布式自治制造系统中异构 Agent 间的相互合作以及全局协调机制的研究 ,是分布式自治制造系统最重要 ,也是最基本的问题 ,更是其走向实用所亟待解决的核心问题。协调是指一组 Agent 完成一些集体活动时相互作用的性质。在分布式制造系统中 ,全局协调和优化是一个在多目标动态约束下 ,各类活动和资源的最佳组合和排序的动态求取过程 ,它可以描述为两个子问题 ,即局部调度决策和全局资源协调。由于 “组合爆炸” 现象的存在 ,当前采用的普遍方法是谈判和投标(Neg otiation and Bidding)。谈判被定义为:在开放的、动态的制造控制环境下 ,拥有任务订单的 Agent(协调者),及欲参与任务执行的 Agent(投标者)之间传递各自的资源、愿望和能力信息 ,反复进行协商 ,直到其中一个Agent 或一组Agent 被选出组成执行该任务的队列的过程。在这个过程中出现的冲突和死锁或者由协调者来解决 ,或者由冲突中的 Agent 自行解决。为了加快谈判过程 ,许多研究工作致力于改进谈判策略和开发支持协商的协议和语言 ,目前已提出了诸如一步谈判、多步谈判、合同网等多种谈判策略和协议。分析这种谈判过程 ,可以看出:

(1)在当前所采用的模型中 ,谈判是基于对谈判者的知识与能力、讨价还价过程、收益计算 ,以及子系统的影响(或能力)的平衡的显式表达 ,以可计算的迭代模型模拟社会或生物界的组织形式和进化过程的协调和协作方法;

(2)各个Agent 总是将其他Agent 的局部调度作为其预测信息 ,以计算其自己的局部调度决策。依次地 ,又将决策结果传递给其他 Agent。宏观上看 ,这是一个串行过程。当一个Agent 产生的结果不可接受时 ,又需要进行反复通信和迭代。因而 ,各个 Agent 的内部可以看作是一个局部闭环反馈控制系统 ,而冲突则是其外部扰动;

(3)全局协调的目标是要完全消解冲突 ,因而各 Agent 总是要利用最新的信息来处理冲突。因此 ,谈判实际上是一种外部合作机制。这种方法在一定程度上解决了开放环境中的 Agent 协调和协作的组合优化问题 ,但是该方法的一个固有缺陷是它只是对社会市场或生物界的组织形式和进化过程的直觉模仿[1 ],尚缺乏对其基本原理、机制和限制条件的深刻认识和理论上的证明 ,例如 ,在什么条件下谈判的过程是收敛的、稳定的。如何得到期望的结构或功能等。尤其当系统规模较大 ,而且 Agent 处于信息连续变化的高度紊乱的环境中(如由于市场的快速变化 ,经常会有一些短期的、紧急的订单需要及时处理)时 ,有可能引起冲突的传播(即任何两个实体间冲突的解决会触发其他冲突的出现)。这种特性类似于自催化过程 ,各个制造Agent 间正向先进制造技术的源泉.科学通报,1998 , 43-33727.[4 ] 史忠植.高级人工智能.北京: 科学出版社, 1998.[5]杨文通 ,王曹 刘志峰 ,等 数字化网络化制造技术北京 电子工业出版社 , [6]王英林 ,刘敏 ,张申生 ,基于Agent的敏捷供应链及相关技术 中国机械工程 , [7]张军 ,赵江洪 网络协同数控机床工业设计系统中的知识获取与应用研究 〔机械工程学报 〕 ,